06 基本输入输出接口(微机原理)

第6章第6章基本输入输出接口概述I/O接口的结构I/O端口编址总线复习1总线复习2数据传送方式I/O接口概述为什么需要I/O接口（电路）？微机的外部设备多种多样工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大它们不能与CPU直接相连必须经过中间电路再与系统相连这部分电路被称为I/O接口电路多种外设I/O接口概述（续1）什么是I/O接口（电路）？I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路PC机系统板的可编程接口芯片、I/O总线槽的电路板（适配器）都是接口电路CPU接口电路I/O设备I/O接口概述（续2）什么是微机接口技术？处理微机系统与外设间联系的技术注意其软硬结合的特点根据应用系统的需要，使用和构造相应的接口电路，编制配套的接口程序，支持和连接有关的设备I/O接口的典型结构控制总线CB地址总线ABI/O接口电路数据控制状态数据总线DBCPU外设控制寄存器状态寄存器数据寄存器1.接口电路的内部结构2.接口电路的外部特性3.接口电路芯片的分类4.接口电路的可编程性1.接口电路的内部结构CPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：⑴数据寄存器保存外设给CPU和CPU发往外设的数据⑵状态寄存器保存外设或接口电路的状态⑶控制寄存器保存CPU给外设或接口电路的命令2.接口电路的外部特性主要体现在引脚上，分成两侧信号面向CPU一侧的信号：用于与CPU连接主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：用于与外设连接提供的信号五花八门功能定义、时序及有效电平等差异较大3.接口电路芯片的分类接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电路芯片（接口芯片）：通用接口芯片支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片面向外设的专用接口芯片针对某种外设设计、与该种外设接口面向微机系统的专用接口芯片与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能4.接口电路的可编程性许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件接口软件有两类：初始化程序段——设定芯片工作方式等数据交换程序段——管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换I/O端口的编址接口电路占用的I/O端口有两类编排形式I/O端口单独编址I/O地址空间独立于存储地址空间如8086/8088I/O端口与存储器统一编址它们共享一个地址空间如M6800理解端口I/O端口单独编址优点：I/O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门的I/O指令使程序清晰易读缺点：I/O指令没有存储器指令丰富内存空间I/O空间FFFFF0FFFF80x86采用I/O端口独立编址I/O端口与存储器统一编址优点：不需要专门的I/O指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）内存部分I/O部分存储器空间00000FFFFF8088/8086的输入输出指令输入指令INAL,i8;字节输入，直接寻址INAL,DX;字节输入，间接寻址INAX,i8;字输入，直接寻址INAX,DX;字输入，间接寻址输出指令OUTi8,AL;字节输出，直接寻址OUTDX,AL;字节输出，间接寻址OUTi8,AL;字输出，直接寻址OUTDX,AL;字输出，间接寻址演示演示8088/8086的I/O端口8088只能通过输入输出指令与外设进行数据交换；呈现给程序员的外设是端口（Port），即I/O地址8086用于寻址外设端口的地址线为16条，端口最多为216＝65536（64K）个，端口号为0000H~FFFFH每个端口用于传送一个字节的外设数据I/O寻址方式8088/8086的端口有64K个，无需分段，设计有两种寻址方式直接寻址：只用于寻址00H~FFH前256个端口，操作数i8表示端口号间接寻址：可用于寻址全部64K个端口，DX寄存器的值就是端口号对大于FFH的端口只能采用间接寻址方式数据交换方式如果输入输出一个字节，利用AL寄存器如果输入输出一个字，利用AX寄存器输入一个字，实际上是从连续两个端口输入两个字节，分别送AL（对应低地址端口）和AH（对应高地址端口）输出一个字，实际上是将AL（对应低地址端口）和AH（对应高地址端口）两个字节的内容输出给连续两个端口IN指令（从20H端口输入一个字）；方法1：字量输入，直接寻址inax,20h；方法2：字量输入，间接寻址movdx,20hinax,dx；方法3：字节输入，直接寻址inal,21hmovah,alinal,20h；方法4：字节输入，间接寻址movdx,21hinal,dxmovah,aldecdxinal,dxOUT指令（向300H端口输出一个字节）；唯一的方法：间接寻址，字节量输出moval,bvar；bvar是字节变量movdx,300houtdx,alI/O接口的主要功能⑴对输入输出数据进行缓冲和锁存输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节实际的电路常用：输出锁存缓冲环节，输入锁存缓冲环节⑵对信号的形式和数据的格式进行变换微机直接处理：数字量、开关量、脉冲量⑶对I/O端口进行寻址⑷与CPU和I/O设备进行联络数据传送方式程序控制下的数据传送——通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送，又分为：无条件传送、查询传送、中断传送直接存储器存取（DMA）——传送请求由外设向DMA控制器（DMAC）提出，后者向CPU申请总线，最后DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送I/O处理机——CPU委托专门的I/O处理机来管理外设，完成传送和相应的数据处理6.2.1无条件传送方式工作原理在CPU与慢速变化的设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称立即传送、同步传送适合于简单设备，如LED数码管、按键或按纽等无条件传送的接口和操作均十分简单这种传送有前提：外设必须随时就绪流程地址译码器输出寄存器输入缓冲器地址WRRDM/IOD0～D7至输出设备来自输入设备无条件传送方式图6-3(P170)无条件传送：输入实例MOVDX,160HINAL,DX74LS244+5V10Kx8G1G2数据总线CSRD无条件传送：输出实例MOVDX,160HMOVAL,[BX]OUTDX,AL+5V74LS373300x8LEOE数据总线CSWR无条件传送：输入输出接口K7K1K0+5VD0～D7A0～A15CLKLS06反相驱动器LS2738D锁存器LS244三态缓冲器8000H译码+5VLED0LED7……GIOWIORnext:movdx,8000h;DX指向数据端口inal,dx;从输入端口读开关状态notal;反相outdx,al;送输出端口显示calldelay;调子程序延时jmpnext;重复6.2.2查询传送方式及其接口CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出对多个外设的情况，则CPU按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外设将优先进行数据交换查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低就绪查询传送的两个环节⑴查询环节寻址状态口读取状态寄存器的标志位若不就绪就继续查询，直至就绪⑵传送环节寻址数据口是输入，通过输入指令从数据端口读入数据是输出，通过输出指令向数据端口输出数据输入状态就绪？数据交换YN流程输入设备锁存器三态缓冲器地址译码器三态缓冲器READY状态信号DQR+5V选通信号STB数据信号M/IORD数据总线地址总线M/IORD图6-4查询方式数据输入的接口电路(P171)POLL：MOVDX，STATUS-PORT；状态端口号送DXINAL，DX；输入状态信息TESTAL，80H；检查Ready是否为高电平JEPOLL；如果未准备好，进行循环检测MOVDX，DATA-PORT；准备就绪，读入数据INAL，DX控制信号组合查询输入接口movdx,8000h;DX指向状态端口status:inal,dx;读状态端口testal,01h;测试标志位D0jzstatus;D0＝0，未就绪，继续查询incdx;D0＝1，就绪，DX指向数据端口inal,dx;从数据端口输入数据控制信号组合查询输出接口8D锁存器译码1位三态缓冲器RQA0～A158000H8001HD0～D7D7D+5V输出设备ACKIOWIORmovdx,8000h;DX指向状态端口status:inal,dx;读取状态端口的状态数据testal,80h;测试标志位D7jnzstatus;D7＝1，未就绪，继续查询incdx;D7＝0，就绪，DX指向数据端口moval,buf;变量buf送ALoutdx,al;将数据输出给数据端口控制信号组合查询方式的EEPROM编程2817AA0～A10A0～A108000HI/O0～I/O7D0~D7D0译码A11～A19译码A0～A15RDY/BUSYIORWERDMEMWMEMRCEnext:moval,55h;写入内容＝55Hmov[bx],al;写入存储单元nop;空操作指令，起延时作用nopnext1:inal,dx;查询状态口testal,01h;测试D0jznext1;D0＝bx;D0＝1，写毕，指针移动loop0，芯片还在写入incnext;循环至全部字节写完在采用查询方式进行交换数据时，CPU要不断地读取状态信息，检查输入设备是否已准备好数据，输出设备是否忙碌或输出缓冲器是否已空。若外设没有准备就绪，CPU就必须反复查询，进入循环等待状态，使CPU的工作效率降低。为了提高CPU的利用效率和进行实时数据处理，CPU常采用中断方式与外设进行数据交换。采用中断传送方式可以大大提高工作效率。该方式的工作原理是：6.2.3中断传送方式中断传送方式断点主程序中断服务程序中断请求对外设进行处理继续执行返回断点CPU在执行程序中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序流程中断传送与接口中断传送是一种效率更高的程序传送方式。使CPU与外设实现有并行工作。进行传送的中断服务程序是预先设计好的中断请求是外设随机向CPU提出的CPU对请求的检测是有规律的：一般是在每条指令的最后一个时钟周期采样中断请求输入引脚中断传送方式实例以打印机为例：（1）首先，CPU启动打印机设备，然后继续自已的工作。（2）当打印机准备好或已完成一个字符输出时，把设备状态置为就绪状态。（3）I/O接口在设备就绪时向CPU发中断请求。（4）CPU接到中断信号后暂停当前工作，响应中断并转入相应的中断服务程序。发下一个字符到I/O接口并选通打印机。（5）CPU从中断服务程序返回，继续自已的工作。当然，每次中断处理，都要经过中断请求、中断响应、现场保护、现场恢复、中断返回等过程，使每一个字节的传送需要一定时间（几十个微秒）6.2.4DMA传送方式希望克服程序控制传送的不足：外设→CPU→存储器外设←CPU←存储器直接存储器存取DMA：外设→存储器外设←存储器CPU释放总线，由DMA控制器管理DMA传送的工作过程⑴CPU对DMA控制器进行初始化设置⑵外设、DMAC和CPU三者通过应答信号建立联系：CPU将总线交给DMAC控制⑶DMA传送DMA读存储器：存储器→外设DMA写存储器：存储器←外设⑷自动增减地址和计数，判断传送完成否DMA传送流程HLDA发存储器地址传送数据传送结束？DMA结束修改地址指针流程传送方式的比较无条件传送：慢速外设需与CPU保持同步查询传送：简单实用，效率较低中断传送：外设主动，可与CPU并行工作，但每次传送需要大量额外时间开销DMA传送：DMAC控制，外设直接和存储器进行数据传送，适合大量、快速数据传送就绪（Ready）在输入场合“就绪”说明输